\chapter{Biolog\'ia}
\label{Biologia}

La biolog\'ia es la ciencia que estudia el origen, evoluci\'on y propiedades de los seres vivos\cite{BiologyBook}.
Dado el contexto del presente trabajo centrado en las Ciencias de la Computaci\'on, establecemos primero algunas definiciones sencillas del \'ambito de las Ciencias Biol\'ogicas que estar\'an presentes en el desarrollo del mismo. 

\section{Organismos}
Un organismo es un conjunto organizado de mol\'eculas capaz de ciertos comportamientos asociados a la vida, tales como nutrici\'on (absorci\'on de elementos externos para mantener el funcionamiento del organismo) o reproducci\'on (generaci\'on de nuevos organismos)\cite{BiologyBook}.

Enumeramos primero las entidades que componen los organismos para poder luego caracterizar
adecuadamente aquellos que sean de nuestro inter\'es. Comenzamos por aquellos m\'as sencillos
para mencionar posteriormente las estructuras m\'as complejas que se forman a partir de su combinaci\'on.
\subsection{Mol\'eculas Org\'anicas Simples}
Existen dos tipos de mol\'eculas org\'anicas b\'asicas que son de inter\'es para nuestro trabajo:
\subsubsection{Nucle\'otidos}
Los nucle\'otidos estan compuestos de tres mol\'eculas: un az\'ucar, \'acido fosf\'orico y una base nitrogenada. El az\'ucar es una pentosa (5 \'atomos de carbono). Puede ser ribosa o desoxirribosa (un \'atomo de ox\'igeno menos). El \'acido fosf\'orico se encuentra ionizado (cargas negativas) por lo tanto es un fosfato. La base nitrogenada es capaz de captar hidr\'ogenos; hay cinco tipos: adenina, guanina, citosina, timina y uracilo. Forman las bases de los \'acidos nucleicos, de los que hablaremos posteriormente.
\subsubsection{Amino\'acidos}
Son mol\'eculas compuestas por una amina (un \'atomo de nitr\'ogeno con cero, uno o dos \'atomos de hidr\'ogeno), un \'acido carbox\'ilico (un \'atomo de carbono unido a un oxidrilo y un \'atomo de hidr\'ogeno) y una cadena lateral. La estructura de la cadena lateral determina la identidad del amino\'acido. Existen 22 amino\'acidos presentes en compuestos org\'anicos, pero s\'olo 20 de ellos son sintetizados a partir de la traducci\'on normal de la informaci\'on del \textit{ARN}. Las prote\'inas est\'an compuestas por cadenas de amino\'acidos.

\subsection{Macromol\'eculas}
Las macromol\'eculas son estructuras biol\'ogicas formadas por mol\'eculas org\'anicas b\'asicas. Existen cuatro categor\'ias:
\subsubsection{\'Acidos Nucleicos}
Los \'acidos nucleicos son largas cadenas de nucle\'otidos enlazadas entre s\'i por el grupo fosfato. Son las mol\'eculas m\'as grandes que se conocen formadas por millones de nucle\'otidos.\\

Su funci\'on es almacenar, transmitir y expresar la informaci\'on gen\'etica de los organismos.\\

Hay dos clases de \'acidos nucleicos: el \'acido desoxirribonucleico (\textit{ADN o DNA}) que lleva siempre desoxirribosa y el \'acido ribonucleico (\textit{ARN o RNA}) que siempre lleva ribosa. Adem\'as se diferencian en las bases nitrogenadas el \textit{ADN} lleva todas menos uracilo y el \textit{ARN} todas menos timina.

\subsubsection{Prote\'inas}
Las prote\'inas son grandes y largas mol\'eculas compuestas de amino\'acidos; por tanto, las prote\'inas son pol\'imeros donde los amino\'acidos son las unidades que se repiten.\\
Cada prote\'ina de los millones que existen, difiere de otra en el orden de colocaci\'on de los amino\'acidos y en su cantidad que puede oscilar entre decenas y miles.

La estructura primaria de una prote\'ina es el conjunto de amino\'acidos que la forman y su secuencia. La estructura espacial o tridimensional de una prote\'ina (estructura secundaria y terciaria) condiciona sus propiedades o actividad biol\'ogica.

\section{C\'elulas}
Son las unidades b\'asicas que conforman todo organismo. En ellas, se dan los procesos necesarios para la vida.
Hay dos tipos de c\'elulas:
\begin{itemize}
\item Procariotas: no tienen una membrana nuclear definida, por lo que su informaci\'on gen\'etica
est\'a en una regi\'on nucleoide. Suelen ser m\'as peque\~nas y no est\'an tan compartimentadas como las c\'elulas eucariotas.
\item Eucariotas: poseen un n\'ucleo donde est\'a contenida la informaci\'on gen\'etica de la c\'elula
(su \textit{ADN}).
Adem\'as, suelen poseer una mayor variedad de organelas.
\end{itemize}

\subsection{S\'intesis de Prote\'inas}
El proceso de las c\'elulas, por el cual se generan nuevas prote\'inas partiendo del \textit{ADN} de la c\'elula, tiene dos grandes etapas: \emph{transcripci\'on} y \emph{traducci\'on}. En la transcripci\'on, que ocurre en el n\'ucleo, las \textit{ARN} polimerasas sintetizan  \textit{ARN} utilizando como molde el \textit{ADN}. En la traducci\'on, que ocurre en el citoplasma, los ribosomas de la c\'elula decodifican el \textit{ARN} seleccionando amino\'acidos que se unen formando una cadena polipept\'idica que luego se pliega en prote\'inas.

\subsection{Dogma Central de la Biolog\'ia}
El \textit{Dogma central de la biolog\'ia} es un concepto que postula que la informaci\'on normalmente viaja de \textit{ADN} en \textit{ARN} a prote\'inas, y s\'olo el \textit{ADN} es replicado. El flujo de informaci\'on queda entonces como se ve en la Fig.\ref{fig:BiologyCentralDogma}:

\begin{figure}[htb]
\centering
\includegraphics[scale=0.4]{./Imagenes/CentralDogma}
\caption{Dogma Central de la Biolog\'ia.\cite{CentralDogma}} \label{fig:BiologyCentralDogma}
\end{figure}

Como mencionamos en la secci\'on anterior, el proceso de s\'intesis de prote\'inas comprende buena parte de las transiciones normales del dogma. La transici\'on restante (de \textit{ADN} en \textit{ADN}) se da en el proceso de la reproducci\'on celular, que escapa al alcance de este trabajo.

Excepcionalmente, se pueden observar procesos donde hay replicaci\'on de \textit{ARN}, y retrotranscripci\'on de \textit{ARN} en \textit{ADN}.

\section{Sistema Inmune}
Por tratarse del sistema donde la infecci\'on por \textit{VIH} ocurre, presentaremos una breve descripci\'on
del sistema inmune del cuerpo humano. \cite{ImmunologyBook}\\

La defensa del organismo se articula a trav\'es de la respuesta inmune que es la primera en hacer frente a  agresiones tanto externas como internas. Esta respuesta se ejecuta de diferentes maneras, pero sustancialmente de dos maneras predominantes como son la respuesta innata y la respuesta  adaptativa, que aunque distintas, act\'uan funcionalmente coordinadas e integradas.

\begin{figure}[htb]
\centering
\includegraphics[scale=0.6]{./Imagenes/respuesta_inmune.jpg}
\caption{Tipos de respuesta inmune.} \label{fig:respuesta_inmune}
\end{figure}

La respuesta inmune innata act\'ua de manera inmediata, como primera l\'inea de defensa inmune, frente a una gran variedad de  est\'imulos. No requiere de un aprendizaje previo y en ella intervienen diversas mol\'eculas tales como el complemento, citocinas  as\'i como un conjunto de c\'elulas, entre las que destacan monocitos, c\'elulas dendr\'iticas y c\'eulas NK (Natural killer). Esta respuesta inmune forma parte de los mecanismos inespec\'ificos de defensa y representa el primer sistema (en la puerta de entrada de la  piel y mucosas) defensivo del organismo y es de vital importancia en la protecci\'on del mismo ante infecciones, ya sean de tipo bacteriano o viral.\\

Los mecanismos de defensa innata aportan un buen sistema de protecci\'on. Sin embargo, en muchas ocasiones no son suficientes para defender eficazmente al organismo, pero por fortuna, \'este dispone de la respuesta inmune adaptativa que puede actuar reforzando a la respuesta innata o supliendola en caso de que \'esta falle eliminando a los  pat\'ogenos.

La respuesta inmune adaptativa representa una segunda l\'inea de defensa y se caracteriza por desarrollarse espec\'ificamente frente a las sustancias extra\~nas que la han inducido. Generalmente estas sustancias, son aquellas que no han sido previamente eliminadas por la respuesta innata.\\

Los linfocitos que participan en esta respuesta son de dos tipos: linfocitos T y linfocitos B, de ah\'i que existan dos modalidades de respuesta adaptativa, de tipo celular y de  tipo humoral. En la primera intervienen los linfocitos T prioritariamente y en la segunda los linfocitos B, aunque ambos tipos de respuestas se complementen e interactuan.\\

La respuesta inmune celular cubre una importante funci\'on como mecanismo inmunol\'ogico de defensa, actuando frente a virus, as\'i como evitando la aparici\'on y desarrollo de c\'elulas tumorales. En ella participan los linfocitos T que pueden ser  tanto de tipo ayudantes (Th) como  citot\'oxico (Tc).\\

En la respuesta inmune humoral (secreci\'on de anticuerpos) intervienen, como pieza central, los linfocitos B, que reconocen al ant\'igeno a trav\'es de las inmunoglobulinas presentes en su membrana. Sin embargo este est\'imulo no es suficiente para que se inicie y desarrolle la respuesta inmune humoral. Para ello es necesario que los linfocitos B, adem\'as reciban ayuda de citocinas  producidas por los linfocitos T ayudantes.


\subsubsection{Linfocitos}
\begin{itemize}
\item Linfocitos T \textbf{CD4+}, tambi\'en llamados linfocitos T ayudantes: ayudan a activar los linfocitos
T citot\'oxicos, a cambiar los anticuerpos secretados por los linfocitos B, y secretan citoquinas
(prote\'inas usadas en la regulaci\'on inmune).
\item Linfocitos T \textbf{CD8+}, tambi\'en llamados linfocitos T citot\'oxicos: en presencia de una c\'elula infectada por un pat\'ogeno, liberan sustancias citot\'oxicas para inducir la apoptosis (muerte celular programada).
\item Linfocitos T de memoria: se activan en presencia de un ant\'igeno espec\'ifico y son claves en
la respuesta r\'apida a una exposici\'on repetida de un ant\'igeno. Su ciclo vital es m\'as largo que el de otras c\'elulas T.
\item Linfocitos T de regulaci\'on (tambi\'en llamadas linfocitos T supresores): ayudan a regular la
respuesta inmune, pudiendo suprimir reacciones autoinmunes.
\item Linfocitos NKT (por \textit{Natural Killer T cells}): comparten rasgos en com\'un con las
c\'elulas \textbf{NK} (mencionadas anteriormente) pero son linfocitos. Act\'uan secretando citoquinas y quimiocinas.
\item Linfocitos $\gamma\delta$: su receptor de linfocitos T es distinto al de los dem\'as linfocitos.
Son los \'unicos linfocitos con capacidad de fagocitosis \cite{Wu2009}.
\end{itemize}